第3章 固定化生物催化剂反应过程动力学

1、1916年Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被骨炭粉末吸附并在吸附状态下仍具有催化活性，后来科学家开始了固定化酶的研究。首例工业化应用固定化酶是1969年由Chibata及其同事在日本TanakeSciyaku公司实现的，他们将米曲酶（Aspergillus oryzae）的氨基酰化酶固定后用于拆分合成的外消旋DL-氨基酸，得到相应的旋光性的对映体。 固定化酶促反应动力学固定化酶促反应动力学 3.1 3.1 固定化酶促反应动力学基础固定化酶促反应动力学基础 3.1.1 3.1.1 酶的固定化技术定义酶的固定化技术定义 酶的固定化技术是将水溶性的酶分子通过酶的固定化技术是将水溶性的酶分

2、子通过一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂等材料制成固相如角叉菜胶、离子交换树脂等材料制成固相酶的技术。酶的技术。 细胞的固定化技术细胞的固定化技术: : 为省去从微生物（为省去从微生物（或动、植物）中提取酶的操作，确保酶的稳或动、植物）中提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物细胞、动植物定性，采用直接固定化微生物细胞、动植物细胞、组织技术。细胞、组织技术。 物理吸附法物理吸附法 载体结合法载体结合法 离子结合法离子结合法 共价结合法共价结合法 交联法交联法 格子型格子型 包埋法包埋法 微胶囊微胶囊2.3.1.2 酶和

3、细胞固定化方法 3.1.3 固定化对酶性质的影响n底物专一性的改变底物专一性的改变 n稳定性增强稳定性增强 n最适最适pHpH值和最适温度变化值和最适温度变化n动力学参数的变化动力学参数的变化 3.1.4 影响固定化酶促反应的主要因素 n分子构象的改变分子构象的改变 n位阻效应位阻效应 n微扰效应微扰效应 n分配效应分配效应 （可用（可用KpKp 定量描述定量描述）链接n扩散效应扩散效应 （可定量描述）（可定量描述）分配系数 (Kp)链接链接 分配系数：载体内外底物分配系数：载体内外底物( (或其他物或其他物质质) )浓度之比。浓度之比。 KpKp的测定：的测定： 已知底物浓度已知底物浓度(

4、(C CS0S0 ) )，体，体积积(V(V0 0) )的溶液中，放入不含底物的一定体的溶液中，放入不含底物的一定体积的载体，并保持适宜条件，当达到平积的载体，并保持适宜条件，当达到平衡时，测定载体外溶液的底物浓度衡时，测定载体外溶液的底物浓度(Cs)(Cs)。3.2 固定化酶促反应过程分析3.2.1 3.2.1 外部扩散过程外部扩散过程 以表面固定化酶为以表面固定化酶为例例SSmSSoutCKCrr maxCSCSSooutoutrr SmSoCKCrr max外扩散过程分析SSmSSoutCKCrr maxoutrN )(maxSSSLSSmSSCCakCKCr 外扩散速率：外扩散速率：

5、达到平衡时，达到平衡时，即即 )(SSSLCCakN 酶促反应速率：酶促反应速率： SLaCkN maxN, rrmaxNmax 0 CSS CS(CSS，rout)NmaxN，rrmax0 CSS CS(CSS，rout)maxmaxNr0, 0outSSC maxmaxNr1,outSSSCC Da准数 :maxmaxNrDa 当当 时，时， 过程为外扩散控制。过程为外扩散控制。 当当 时，时， 过程为反应控制。过程为反应控制。1 Da1 Da0, 0outSSC 1,outSSSCC 式中:)(maxSSSLSSmSSCCakCKCr *maxmaxmax)(1(CCKCaCkrNrDa

6、SL SmSSSCKKCCC ,*表明表明C*为为Da准数的函数，即准数的函数，即 )(*DafC ( 时, )*maxmaxCKCCKCCKCrCKCrrrSSmSSSmSSSmSSooutout mSKC maxrro 表明表明为为C*的函数，即的函数，即 out *)(Cgout 可见，Da准数是决定效率因子 和比浓度C*的唯一参数，因而是表征传质过程对反应速率影响的基本准数。 Da准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体浓度CS， 越接近于1。Da准数越大，固定化酶表面浓度越趋近于零， 越小，越趋近于零。out out out 为提高固定化酶外扩散效率为提高固定化酶外扩散效率,应设法减小

7、应设法减小Da准数。减小准数。减小Da准准数的措施：数的措施： 1、降低固定化酶颗粒的粒径、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表面积，但由于粒径减小，增大比表面积，但由于粒径减小会伴随压降增加，因此应用中综合会伴随压降增加，因此应用中综合考虑，确定合适的粒径。考虑，确定合适的粒径。 2、使固定化酶表面流体处于、使固定化酶表面流体处于湍流状态以增大湍流状态以增大 。Lk3.2.2 内部扩散过程 具有大量内孔的球形固定化酶颗粒Rdrroininrr 内扩散效率因子内扩散效率因子稳定状态下，对底物进行物料衡算： drrrdrdCDerdrdCDedrrSrSrdrrSr22244)(4 drrrdrdC

8、DerdrdCDedrrdrrSrSrdrrSr222244)(24 drrrdrdCrdrDedrdCdrdCDerSdrrSrrSrdrrSr22484 Dedrr24 两侧同除两侧同除 , ,得得DerdrdCrdrCdSSrSr 222当反应符合米氏方程规律时，当反应符合米氏方程规律时，SrmSrSCKCrr max)(2max22SrmrSSrSrCKDeCrdrdCrdrCd 故故, ,令令 , , , , , ,SSSrXCCC Rrl mSSKC mDeKrR9max22 上式可转化为无因次形式，得上式可转化为无因次形式，得 XXXXccdldcldlcd 192222边界条件

9、边界条件: :0 l0 dldcX1 l1 Xc, , ,该微分方程无解析解，只能用数值法求解。该微分方程无解析解，只能用数值法求解。西勒准数( ) 的物理意义是表面反应速率的物理意义是表面反应速率与内扩散速率之比。对各类反应动与内扩散速率之比。对各类反应动力学与固定化酶的形状，普遍化的力学与固定化酶的形状，普遍化的 的定义式为的定义式为 :21,2 SSeqSCCssPPdCsDerrAVSSmSSRrSrSSmSSRrSroininCKCrdrdCDeRCKCrRdrdCDeRrr maxmax323344 引入无因次参数，则引入无因次参数，则 11321lXindldcin 无解析解，只

10、有数值解。无解析解，只有数值解。 内扩散效率因子内扩散效率因子 in 是是 和和 的的函数。函数。 对对 in影响不大，影响影响不大，影响 in的的主要参数是西勒准数主要参数是西勒准数 。如果。如果 ，则，则 不随不随 变化，近似等于变化，近似等于1，也就是说没有内部传质阻力，也就是说没有内部传质阻力，若，若 ，则，则 ，反应为内扩散所限制。，反应为内扩散所限制。3 . 0 3 . 01inin 为提高固定化酶内扩为提高固定化酶内扩散效率，应设法减小散效率，应设法减小 。 减小减小 的措施主要是适当的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。降低固定化酶颗粒粒径。扩散控制扩散控制内扩散控制。内扩散控

11、制。SLaCkrDamax DeKrRm9max22 0rroutout 0rrinin 3、分配效应 n分配系数分配系数K=Csg / CsidLdCDdrdCDNSSS)(0SiSLSdCCakR)(0SiSLSdCCakRSimSiSiCKCrRmaxSdSiRRSdSiRRSdSiRR 14122KCS1KDaS0SirR酶外表面处的反应速率无外扩散影响时固定化酶外表面处的反应速率有外扩散影响时固定化E消除外扩散的方法naraCkr DaE111222) 141(41DaDaEIIEIISSSSmIISimSiSSIEIKCKCCKKCCrCKKCCKCrrR1111)1 (110ma

12、x0max)(10maxSiSLSSiSimSSCCakKCCKrR0)1 ()1 (00203SSiSSiSSiCCCCCKCKn稳态操作点稳态操作点n非稳态操作点非稳态操作点n颗粒真实密度 n颗粒表观密度 n颗粒堆积密度 tpbHDDepprrrrdrdCDerdrdCDeSrSrrS2224)4()4(n解与rs有关SmSSSSCKCrrdrdCrdrCdDemax22)2(DeKrRmmax3SSSSCCrdCdrrdCd192222SSSCDeRkrdCdrrdCd2122221229rdd)3sinh()3cosh(1211rCrCDeKR113)3sinh()3cosh(1211

13、rCrC)3sinh()3sinh(110rRrRCCSSDekdrdCrdrCdSS0222rDekdrd022213061CrCrDek)(6) 1(6220022200RrDekCRrDeRkCCSSS20061RkDeCRRSC00max6kDeCRS三、微孔内的浓度分布（膜状固定化酶）理论模型（单面扩散）SSrdlCdDe22SmSSSCKCrrdlCdDemax22)cosh()cosh(110LlCCCSSSDeKL11DeKL112)(22200LlDekCCSS20021LkDeCLLSC00max2kDeCLSSiSRR反应速率颗粒内无浓度梯度时的颗粒内的实际反应速率00max3SmSRrSSiSCKCrdrdCDeRRRRrSSdrdCCkDeR011331)3tanh(131110RCdrdCSRrS31)3tanh(1111101SSrR31)3tanh(19112111RkDe03034kRRS033)(34kRRRCS20061RkDeCRRSC232000)61 (1RkDeCS111tanh)cosh()cosh(110LlCCCSSSDekAVDeKrAVPPmPP1max10SSTrRSiSiSLSCkCCakR110)(DaCakkCCSLSSi1011011DaCkCkRSSiS1